Формирование нанокристаллической структуры в порошках SrFe12O19 с целью повышения магнитных свойств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Кетов, Сергей Владимирович

• Кетов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кетов, Сергей Владимирович

Введение

1 Аналитический обзор литературы

1.1 Фазовая диаграмма системы 8г0-Ре

1.2 Кристаллическая структура фазы БгРе^О^

1.3 Основные характеристики магнитотвердых материалов

1.3.1 Механизмы перемагничивания и их реализация в магнитотвердых материалах

1.3.2 Особенности перемагничивания высокоанизотропных ферромагнетиков

1.3.3 Перемагничивание малых однодоменных частиц

1.3.4 Расчеты критического размера однодоменной частицы

1.4 Магнитные свойства сплавов на основе соединения ЗгРе^О^

1.5 Технологии получения сплавов стронциевого феррита для постоянных магнитов

1.5.1 Традиционные методы получения

1.5.2 Методы получения нанокристаллических порошков сплава БгРе^О^

1.6 Постановка цели и задач 52 2. Материалы и методы исследования

2.1 Исследуемые материалы

2.2 Методы получения нанокристаллических материалов

2.2.1 Механохимическая обработка

2.2.2 Высокотемпературный отжиг

2.2.3 Ступенчатый отжиг

2.3 Методика фазового анализа и определения размеров кристаллитов фаз в нанокристаллических сплавах на основе БгРе^О^

2.3.1 Составление компьютерного банка рентгенограмм

2.3.2 Расчёт рентгенограмм основных фаз по программе SPECTRUM

2.3.3 Получение дифрактограммы исследуемого сплава

2.3.4 Алгоритм количественного фазового анализа и размеров кристаллитов фаз и микродеформации их решеток

2.3.5 Методика определения количества аморфной фазы в аморфно-кристаллических сплавах

2.4 Высокоразрешающая растровая электронная микроскопия

2.5 Седиментационный анализ

2.6 Магнитные измерения 69 3 Результаты и их обсуждение

3.1 Структура и магнитные свойства сплава SrFei20i после измельчения

3.1.1 Структура и магнитные свойства сплава SrFe^Oig после обработки в высокоэнергетической мельнице АГО-2У

3.1.2 Структура и магнитные свойства сплава SrFei20i после обработки в низкоэнергетической мельнице САНД

3.2 Структура и магнитные свойства измельченного сплава SrFe^Ojg после отжигов

3.2.1 Изохронные отжиги при разных температурах порошков, измельченных в мельнице АГО-2У

3.2.2 Изотермические отжиги различной продолжительности порошков, измельченных в мельнице АГО-2У

3.2.3 Структура и магнитные свойства сплава SrFe^Ojp, измельченного в мельнице САНД-1, после высокотемпературного отжига

3.2.4 Структура и магнитные свойства сплава SrFe^Oig, измельченного в мельнице САНД-1, после ступенчатого отжига 107 Выводы 115 Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование нанокристаллической структуры в порошках SrFe12O19 с целью повышения магнитных свойств»

Развитие современной техники немыслимо без использования новых материалов, обладающих заданным комплексом свойств. Особое место среди этих материалов занимают магнитотвердые сплавы, которые широко используются в электро- и радиотехнической, электронной и приборостроительной отраслях промышленности, в компьютерной и медицинской технике. Стоимость ежегодно производимых в мире постоянных магнитов из разных материалов составляет несколько миллиардов долларов. На сегодняшний день и ближайшие годы основным магнитотвердым материалом, выпускаемым и потребляемым промышленностью, остаются гексаферриты, в частности, гексаферрит стронция.

Основная особенность гексаферрита стронция - высокая коэрцитивная сила, достигающая 0,3-0,4 Тл, обусловленная существованием одной оси легкого намагничивания при высоком значении константы магнитокристаллической анизотропии. Однако, у стронциевого гексаферрита относительно низкая намагниченность насыщения, она в несколько раз ниже, чем у таких магнитных материалов, как альнико или сплавы 8тСо5. Гексаферрит стронция обладает высокой химической стойкостью, при этом он значительно дешевле сплавов Ш-Ре-В, хотя свойства порошков гексаферрита стронция заметно ниже. Однако свойства этих порошков могут быть заметно увеличены. Одним из возможных путей в этом направлении является разработка способов получения нанокристаллических материалов на основе соединения ЗгРе^Ою.

Из литературных источников известно, что коэрцитивная сила гексагональных ферритов в основном зависит от размера частиц, и высокие ее значения достигаются при размерах кристаллитов ниже критического для однодоменной частицы, равного приблизительно 0,5 мкм.

Порошки гексаферритов с размером частиц, ниже критического для однодоменной частицы, получают разными способами: самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, индуцированной микроволнами реакцией окисления, кристаллизацией аморфной фазы, полученной закалкой из жидкости, золь-гель технологией, химическим осаждением из жидкого раствора, механохимическим методом и др. В результате удается получить порошки с коэрцитивной силой более высокой, чем у порошков, производимых традиционным методом порошковой металлургии. Последние обычно имеют коэрцитивную силу не более 0,2 Тл.

Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению нанокристаллических сплавов БгРе^О^, закономерности формирования структуры и свойств этих сплавов, а также влияние разных методов получения на эти закономерности изучены недостаточно. Это существенно затрудняет совершенствование существующих технологий производства данных сплавов, а также разработку новых методов их получения и новых сплавов гексаферрита стронция. Поэтому исследование нанокристаллического стронциевого гексаферрита представляет ценность, как с научной, так и с практической точки зрения.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Кетов, Сергей Владимирович

Выводы

На основании комплексных исследований структуры и магнитных свойств порошка SrFei20i9 впервые установлено, что:

1. Кратковременное измельчение крупнокристаллического порошка SrFei20I9 в мельнице позволяет получить в кристаллическом состоянии порошок стронциевого гексаферрита с размером d — 0,1-1 мкм, характеризующиеся малыми размерами ОКР и высоким уровнем микродеформации решетки. При этом выявлено различное влияние энергонапряженности помола на фазовый состав, структуру и магнитные свойства порошка:

• Обработка в высокоэнергетической мельнице АГО-2У приводит к образованию аморфной фазы, содержание которой увеличивается с продолжительностью помола. В результате образования этой фазы магнитотвердые свойства порошка снижаются.

• При помоле в низкоэнергетической мельнице САНД-1 образование аморфной фазы не наблюдается, формируются частицы гексаферрита стронция в монокристаллическом состоянии, так как при наложении магнитного поля частицы порошка ориентируются осью с (направление <001>) вдоль вектора напряженности магнитного поля. В результате низкоэнергетического помола магнитотвердые свойства нетекстурованного порошка практически не изменяются.

2. Высокотемпературный отжиг измельченного порошка приводит к увеличению коэрцитивной силы, что обусловлено формированием нанокристаллической структуры с низким уровнем микродеформации решетки. Полученные при такой обработке порошки не склонны к текстурованию в магнитном поле, из-за формирования в частицах порошка хаотически ориентированных нанокристаллитов гексаферрита стронция. При этом:

• в порошке, измельченном в высокоэнергетической мельнице, такая структура образуется за счет кристаллизации аморфной фазы и рекристаллизации деформированных кристаллитов SrFei20i9. Это ведет к повышению

115 коэрцитивной силы (цоНс!) до 0,42 - 0,45 Тл (при размере кристаллитов 130

150 нм), что приблизительно в 3 раза выше, чем у порошков, получаемых традиционной технологией порошковой металлургии. Причем зависимость коэрцитивной силы от температуры отжига имеет экстремальный характер. • в порошке измельченном в низкоэнергетической мельнице, такая структура образуется лишь за счет рекристаллизации деформированных кристаллитов БгРе^О^ и этим можно объяснить увеличение коэрцитивной силы порошков в результате отжига до 0,40- 0,42 Тл, что сравнимо с ^ результатами достигнутых ранее на порошках полученных с помощью высокоэнергетического измельчения и отжига.

3. Двухступенчатая термообработка порошка, измельченного в низкоэнергетической мельнице, включающая низкотемпературный отжиг в магнитном поле и последующий высокотемпературный отжиг, позволяет получить гексаферрит стронция с нанокристаллической структурой, что обуславливает высокое значение коэрцитивной силы (около 0,4 Тл). При этом частицы отожженного порошка текстуруются в магнитном поле, что позволяет заметно увеличить остаточную индукцию (в 1,4 раза) и магнитное произведение (в 1,8 раз) по сравнению с изотропной нанокристаллической структурой. Последнее можно объяснить анизотропной ориентацией формирующихся в частицах порошка нанокристаллитов фазы ЭгРе^О^. Этот эффект не наблюдается, если низкотемпературный отжиг проводится без наложения магнитного поля. Такой отжиг приводит к формированию частиц не склонных к текстурованию в магнитном поле.

4. Значения среднего размера кристаллитов гексаферрита стронция, определенные из анализа уширения рентгеновских линий и полученные по данным высокоразрешающей растровой электронной микроскопии, с учетом погрешности измерений хорошо согласуются друг с другом, что дает возможность использовать более простой в реализации метод рентгеноструктурного анализа для контроля размера кристаллитов в порошках гексаферрита стронция с нанокристаллической структурой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кетов, Сергей Владимирович, 2007 год

1. Летюк Л.М., Костишин В.Г., Гончар А.В. // Технология ферритовых материаловмагнитоэлектроники.-М.: МИСиС.-2005-351 с.

2. Batti Р. // Ceramurgia. 1976. V. 6, № 1. Р. 11 -16.

3. Goto Y. // J. Japan. Soc. Powder and Powder Metallurgy.-1971 -V. 17.- P . 193197.

4. Beretka J., Braun T. // Austral J. Chem.-1971 -V.24.-P. 237-240.

5. Аксельрод H.JI., Воложанина H.H., Бушкова O.B. // Твердофазный синтез ферритов стронция Свердловск/-1984.-38с

6. Brisi С., Rolando Р. // Ann. Chim. Rome.-1969.-V. 59.-Р. 385-399.

7. Bertaut E., Deschamps A., Pauthenet R. // J. Physique Rad.-1959.-V. 20.

8. Kimura K., Ohgaki M., Tanaka K. // J. Solid State Chem.-1990.-V.30. -P. 87.

9. Borown I., Altermatt D. //Acta Crystallogr.-1965.-P. 41.

10. B.H. Анциферов, Ф.Ф. Бездудный, Л.Н. Белянчиков // Новые материалы,-М.: МИСиС.-2002.-с.735.

11. A.Aharoni. // Rev. Mod. Phys.-1962.-Vol. 34.-Р. 227.

12. Кекало И.Б., Самарин Б.А. // Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами М.: Металлургия.-1989-с. 496.

13. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. // Физические свойства металлов и сплавов.-М.: Металлургия.-1980.-c.320.

14. Сергеев В.В., Булыгина Т.И. // Магнитотвердые материалы-М.: Энергия.-1980.

15. Сергеев В.В., Ермолин В.И.,. Булыгина Т.И и др. // Электротехнич. промышленность. Электротехнич. Материалы.-1972.-№2.-с. 14-17.

16. Линецкий Я.Л., Векшин Б.С., Савич А.Н., Ягодкин Ю.Д. // Металлы-1984. -№2.-с. 139-142.17Buschow K.H.J. New permanent magnet materials. Amsterdam: North-Holland, 1986.

17. Кондорский Е.И. // Изв. АН СССР, физич. сер.-1978.-т.42.-№ 8.-е. 16381645.

18. Brown W.F. //Phys. Rev.- 1957.-Vol.105.-P. 1479.

19. Петров A.E., Костычев А.Н., Петинов В.И. // Физ.Тв.Т.-1973.-№. 15-с. 2927.

20. Преображенский А.А. // Магнитные материалы и элементы.-М.: Высшая школа.-1976.-339 с.

21. Непийко С.А. // Физические свойства малых металлических частиц.-Киев: Наукова Думка.-1985.-е. 246.

22. Гусев А.И., Ремпель А.А. // Нанокристаллические материалы.-М.: Физматлит.-2001 .-с.224.

23. Вонсовский С.В. // Магнетизм.-М.: Наука.-1971.

24. Bean С.Р., Livingston J.P Superparamagnetism // J. Appl. Phys.-1959.-№4.-P. 120-129.

25. Aharony A. // Ibid., B.-1973.-Vol. 7.-№3.-P.1103-l 107.

26. F. Bodker, S. Morup, M.S. Pedersen, et. al. // J. Magn. Magn. Mater-1998.-Vol. 177-181.-P. 925-927.

27. Сноек Я. Исследования в области новых ферромагнитных материалов, М.: Изд-во иностр. лит., 1949. - 222 с.

28. J.F. Wang, С.Р. Ponton, I.R.Harris, // J. Magn. and Magn. Materials.-2002.-V.242-245.-P. 1464-1467.

29. Wang J.F., Ponton C.B., Harris I.R.// A study of the magnetic properties of hydrothermally synthesised Sr hexaferrite with Sm substitution// J. Magn. and Magn. Materials, 2001, v.234, p.233

30. Ataie A., Heshmati-Manesh S.H. // J.Eur.Ceram.Soc., 2001, v.21, p. 1951-1955

31. I.P. Parkin, G.E. Elwin, A.V. Komarov, Q.T. Bui, et. //J. Mater. Chem.,-1998, V.8(3).-P. 573-578

32. Yen-Pei Fu, Cheng-Hsiung Lin, Ko-Ying Pan // J. Alloys and Compounds.-2003. -V. 349 P.228-231

33. Zhiqiang Jin, Wei Tang, Jianrong Zhang, Hao Lin, // J. Magn. and Magn.

34. Materials.-l 998.-V. 182.-P.231 -237.r

35. Ding J., Miao W.F., McCornick P.G., Street R. // J.Alloys and Compounds, 1998, v.281, p.32-36

36. Ding J., Maurice D., Miao W.F., McCornick P.G., Street R. // J. Magn. and Magn. Materials.-l995.-V. 150.-P.417-430.

37. Ding J., Tsuzuki Т., McCornick P.G. // J. Magn. and Magn. Materials.-1998.-V. 177-181 .-P.931 -932.

38. Kaczmarek W.A., Idzikowski В., Muller K.-H. // J. Magn. and Magn. Materials.-l 998.-V. 177-181 .-P.921 -922.

39. Bercoff P.G., Bertorello H.R. // J. Magn. and Magn. Materials.-l 999. -V.205.-P.261-269.

40. Pustov L.Yu., Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V. et al. // J. Metastable and NanocrystallineMater.-2001.-Vol. 10.-P. 373.

41. Shelehov E.V., Tcherdyntsev V.V., Pustov L.Yu. et al. // J. Metastable and Nanocrystalline Mater.-2000.-Vol. 8.-P. 603.

42. Шелехов E.B., Свиридова T.A. // Моделирование движения и разогрева шаров в планетерной мельнице. Влияние режимов обработки на продукты механоактивации смеси порошков Ni и №>.-Материаловедение.-1999.-№10.-с. 13-22.

43. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н. и др. // Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия.-М.:Металлургия.-1982.

44. Hill R. J. Quantitative Phase Analisys With the Rietveld Method // Applied Cristallography. Proc. XVII Int. Conf. 31 Aug.-1998.

45. Горелик C.C., Скаков Ю.А., Расторгуев JI.H. // Рентгенографический и электронно-оптический анализ.-М.:МИСИС.-1994.

46. Минакова С.М., Ягодкин Ю.Д., Кетов C.B., Лилеев A.C. Рентгенографическая методика исследования фазового состава аморфно-кристаллических сплавов Nd-Fe-B // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2004, т.70, № 8, с. 34-37

47. Шингарев Э.Н., Глебов В.А., Нефедов В.С.и др. // Разработка критериев и методик оценки качества магнитных сплавов системы неодим-железо-бор: Отчет о НИР.-№7888.-М.-1992.